勘测自推式钻地机器人螺旋钻进轴特性分析.pdf

:./.勘测自推式钻地机器人螺旋钻进轴特性分析张 晋伍 强周 鹏董绍江朱孙科(.重庆市勘测院重庆 .重庆市轨道交通(集团)有限公司重庆.重庆交通大学 机电与车辆工程学院重庆)摘 要:为应对勘测自动化和智能化的发展需求研发了一款勘测用自推式钻地机器人分别采用理论分析和有限元仿真技术对螺旋钻进轴叶片受力、螺旋钻进轴叶片临界转速和螺旋钻进轴力学特性等进行了深入研究 结果表明随着土粒子运动轨迹上升角的逐渐增大钻进时所需的转速逐渐增大且螺旋叶片外缘螺旋升角的最优值也会明显增大在外缘螺旋升角确定的情况下随着土粒子运动上升角的增加钻进时所需的转速也会随之快速增大 螺旋钻进轴的力学性能可满足该勘测钻地机器人的工作需求 研究结果为勘测自推式钻地机器人的设计、制造和优化提供参考关键词:钻地机器人自推式螺旋钻进力学特性中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.().):.:引 言钻地机器人是一种能够在多种地下与土壤环境中执行各项困难任务的极限作业机器人 和传统钻进设备相比钻地机器人具有体积小、机动性强和灵活性高的特点 根据工作环境、土壤状况以及机器人的结构与载荷性能的不同钻地机器人所能完成的任务也各有不同 目前自推式钻地机器人已在地下勘探、行星土壤取样与探测、地震火灾后的搜救工作、水底打捞辅助等领域得到了广泛应用 等在美国航空航天局的支持下发明了一种自推进式深孔钻进机器人用于太空行星的土壤取样、勘测工作 日本宇宙科学研究所提出了一种用于月球勘测的螺旋式钻进机器人 该机器人通过螺旋叶片的旋切运动将土壤切除并向后输送同时利用螺旋的向后输土动作产生钻进所需的推进力 日本筑波大学与 和 两公司合作开发了一种小型钻掘机器人“”主要用于地质勘测和月球探索 随着我国航空航天实力的快速提升和航天事业的有效开展国内亦有众多优秀的研究成果 哈尔滨工业大学的 等以尺蠖运动为灵感设计了一种有线尺蠖钻井机器人 此方案通过在机器人前后端设置旋向不同的螺旋叶片进行钻井和排屑并通过月球土壤环境的土力学模拟分析验证了方案的可行性笔者针对勘测机器人的发展需求进行了勘测用自推式钻地机器人的总体设计并对螺旋钻进轴叶片受力、螺旋钻进轴叶片临界转速等做了研究采用有限元法分析了螺旋钻进轴力学特性 为勘测自推式机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验收稿日期:基金项目:重庆市规划和自然资源局重点研发资助项目:山地城市勘测仿生机器人研发及工程应用(编号:)作者简介:张 晋()男重庆人高级工程师研究方向:工程监测、检测钻地机器人设计提供指导 自推式钻进机器人结构与工作原理自推式钻地机器人主要分为冲击型、蠕动型和螺旋钻进型三种类型 其中螺旋钻进型钻地机器人依靠螺旋钻具掘削土壤产生的轴向推力实现自身的钻进作业 其上设置多个螺旋轴可通过螺旋轴的旋转差异产生的不同大小或不同方向的轴向力实现机体的转向整体结构较为紧凑、工作平稳可靠多用于陆上、太空土壤的探测取样或工程用孔洞挖掘工作自推式钻地机器人的整体结构如图 所示 其工作方式为螺旋钻进机器人在土壤中的钻进与转向工作主要依靠螺旋钻具对土壤的掘削作业来实现机体结构主要分为三部分分别为攻土钻头、螺旋钻具和动力装置其中螺旋钻具是机器人的核心部件它是主要工作原件同时也是构成机器人的主体结构并连接机器人的各个部件 螺旋钻具的输入端通过联轴器与减速箱相连从而实现较低转速的掘削旋转运动图 勘测用自推式钻地机器人结构 螺旋钻进轴叶片受力分析由于螺旋钻具的螺旋叶片宽度较窄螺旋升角变化幅度不大而且需考虑土壤与孔壁之间的摩擦力因此取螺旋叶片边缘的土壤微元采用临界转速经典模型对其进行准静力学受力分析 在临界转速经典模型中被掘削的土会被视作单独的粒子其由于受到螺旋叶片的回转运动产生的离心力的作用而与孔壁接触并受到与孔壁间形成的摩擦驱动力的作用而被排出与其他被掘削的土无关 根据临界转速经典模型建立如图 所示的力学模型 图 中 为螺旋叶片外缘的螺旋升角 为土被切削下后的运动轨迹的螺旋上升角反映了螺旋机构输送土壤的能力为土在受到科氏加速度的影响的情况下与孔壁间形成的摩擦力其方向与土做旋转运动的方向相反有一定阻碍土随螺旋叶片一同旋转的功能是螺旋叶片上的土向上或向后运动的动力为土与螺旋叶片之间的摩擦力是土的重力延叶片螺旋倾角方向的分力同 一样起阻碍土向上方或后方运动的作用为土壤受到的螺旋叶片提供的支撑力图 螺旋叶片输土模型 由图 可得各参数间关系:()()()()式中:为土粒子的质量 为重力加速度/为土与螺旋叶片间摩擦系数是土与土之间摩擦系数 是螺旋叶片的半径是土粒子绝对角速度/是螺旋叶片旋转的角速度/是土粒子相对螺旋叶片的速度/土粒子处于受力平衡状态则其在 与 的方向上的受力平衡因此:()()()()对土粒子的速度进行分解与合成可得其速度合成图如图 所示 图中 为土粒子绝对速度为土粒子牵连点处的牵连速度图 土粒子各项速度关系 和 在垂直于 方向上的分量相等故:()()()由以上公式可得理想状态下螺旋叶片的角速度:()()()()()因 故螺旋叶片转速:()()()()()采用 进行编程计算得到螺旋升角、土研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用的运动轨迹上升角与螺旋叶片转速间的关系如图 所示图 螺旋升角、土粒子运动轨迹上升角和叶片转速关系 由图 可知若土粒子运动轨迹上升角相同则外缘螺旋升角存在最优值此最优值可使钻地机器人在钻进过程中所需的转速最小而随着土粒子运动轨迹上升角的逐渐增大钻地机器人钻进时所需的转速就越高且螺旋叶片外缘螺旋升角的最优值也会明显增大此外在外缘螺旋升角确定的情况下随着土粒子运动上升角的增加钻地机器人钻进时所需的转速也会随之快速增大 螺旋钻进轴叶片临界转速分析“临界转速”是指螺旋叶片上被掘削下的土有着相对螺旋叶片发生运动的趋势时的一种临界状态 若螺旋钻具的转速能够大于这一“临界转速”便可以达到将土向与螺旋钻具钻进相反的方向输送的目的否则容易出现土在螺隙间卡阻的现象严重时会发生卡钻现象造成作业事故当螺旋叶片上被掘削下的土处于临界状态时其处于平衡状态并没有实际发生与螺旋叶片的相对运动故此时其处于受力平衡状态 受力情况如图 所示图 螺旋叶片上土临界转速受力情况 图中 为旋转产生的离心力为受科氏加速度影响产生的惯性力这一惯性力使得原本呈水平状态的土与所钻孔洞孔壁间的摩擦力 向下偏斜角度 进而产生土运动轨迹的上升角土的临界转速用(/)表示由于实际钻进工况下应保证螺旋钻具钻进的平稳性因此其转速一般不高由经验公式得 表达式:.()()()()()()式中:为土相对螺旋叶片的转速 与土的临界转速 的比值/为包含一个螺旋叶片宽度上所有土的运动情况依经验公式取螺旋叶片位于螺旋钻杆处摩擦角进行计算 是钻地机器人钻进的速度/螺旋钻进轴有限元分析螺旋轴作为自推式钻进钻地机器人最为核心的部件需完成对土壤的掘削以完成机器人的钻进工作 螺旋轴的两端通过角接触球轴承与底层机架和上层机架配合以限制其轴向移动 因此其主要承担掘削土壤时产生的扭矩和钻进时轴体所受轴向力螺旋轴的材料选用密度小、强度高的铝合金材料性能如表 所列表 铝合金材料属性参 数数 值参 数数 值密度/(/).拉伸屈服强度/泊松比.抗压强度/杨氏模量/抗拉强度/为便于分析对螺旋轴的钻进情况进行简化后对其进行分析 假设被掘削后的土壤在螺旋叶片上是均匀分布的轴主要运动形式即竖直钻进运作因此所受轴向阻力竖直向上所受扭矩绕轴向在螺旋轴周身与螺旋叶片边缘均匀分布为提升分析精度与实际计算效率对螺旋轴进行网格独立性验证分别对螺旋轴进行 、.和 网格尺寸分析结果如表 所列表 螺旋轴不同网格划分计算结果网格尺寸/网格数最大总位移/最大弹性应变最大应力/.由表 对比结果可知当网格尺寸为 时机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验所得结果精度较低而将网格划分至.与 后结果精度有明显提升且二者分析结果差别不大因此选择运算效率更高的.尺寸的网格对螺旋轴进行划分网格划分结果如图 所示以轴旋转状态的较大载荷情况为基准进行静应力分析并在轴顶端键槽处添加固定约束 将轴所受扭矩简化至轴的周身与螺旋叶片的边缘所添加扭矩近似取较大值 .在螺旋叶片底部添加延轴运动方向反向的轴向力近似取较大值 约束与载荷添加结果如图 所示图 螺旋轴局部网格划分 图 螺旋轴约束与载荷分布 螺旋轴位移云图和应力云图如图、所示 由图可得螺旋轴上部位发生的形变极小最大变形处主要集中在螺旋轴底部首先对土壤进行掘削的部位其值较小对螺旋轴的推进运动影响不大 而螺旋轴所受最大应力约为.主要发生在驱动轴进行旋转运动的键槽和螺旋叶片与轴的焊接处远小于材料许用应力因此在正常工作中不会出现故障失效问题螺旋轴的设计合理图 螺旋轴位移云图图 螺旋轴应力云图 结 语文章设计了一款勘测用自推式钻地机器人研究了该机器人的螺旋钻进轴叶片受力和螺旋钻进轴叶片临界转速 采用 编程计算了螺旋升角、土的运动轨迹上升角与螺旋叶片转速间的关系获得了外缘螺旋升角的最优值 对螺旋钻进轴进行了有限元力学性能分析通过网格依赖性分析获得了最佳的网格尺寸应力和位移结果表明所示的螺旋钻进轴能够满足设计要求参考文献:杨鹏春简小刚王叶锋等.地下钻进机器人研究与发展趋势.机械设计():.简 小刚 朱能 炯 陈 军 等.蠕动 钻地机 器人:中国 .:.:.:.:.谭松成段隆臣黄帆等.模拟月壤螺旋钻进力载特性分析.探矿工程(岩土钻掘工程)():.王予铭.螺旋钻机主要参数计算.筑路机械与施工机械化():.张松松王伟华岳林.一种验证科氏加速度存在的实验装置及其动力学分析.南京航空航天大学学报():.(上接第 页)图 成品滑轮 结 语此文重点对 ()双腹板锻焊滑轮的结构特点进行了对比分析利用 软件加载工况载荷和约束条件动态模拟仿真和调整优化图纸送审通过后在生产车间完成各工序生产并经过动平衡试验取得了 船用产品认证 目前该批滑轮正在我国南海海域某半潜式海洋钻井平台服役使用状况良好客户评价极高 该滑轮结构及设计方法可应用到其他尺寸的滑轮设计中对减轻滑轮组重量、提高滑轮整体稳定性、降低维护频率有一定的参考借鉴意义参考文献:李飞舟.石油钻机天车滑轮设计计算和有限元分析.制造业自动化():./.起重机械滑轮.().中国船级社.海上拖航指南.北京:人民交通出版社.研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用